Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром

 

  Санкт-Петербургский  Государственный Университет

  Физический  факультет

  Направление: Прикладные математика и физика

  НОЦ «Электрофизика» 
 
 

  Киладзе Индира Елгуджаевна 
 

  Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром 
 

  Бакалаврская работа 

  Научный руководитель:

Елагин  Илья Александрович

старший преподаватель 
 

  Рецензент:

  Статуя  Алексей Александрович

  старший преподаватель 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Санкт-Петербург

  2011

 

  Оглавление 
 

 

Введение.

 

    Вопросам  интенсификации теплообмена в настоящее  время уделяется немало внимания: увеличение скорости теплопередачи  является необходимым во многих областях науки и техники. Одним из методов  решения этой задачи является использование  электрического ветра для обдува нагревателя.

    Электрический ветер по сути своей является частным  случаем ЭГД – течений, изучение которых началось еще в XVIII веке, когда появилась возможность работать с высоким напряжением. Более детальные исследования ЭГД – явлений начались только в середине прошлого века. В настоящий момент данное направление исследований перспективно благодаря своей области применения: электрический ветер используется при создании конструкций интенсификации теплообмена (в частности в условиях, где этот процесс затруднен, например, в космосе), а также при производстве электрофильтров и ионизаторов воздуха. Подтверждением является то, что тема электрического ветра неоднократно поднималась на конференции по электростатике SFE, международном симпозиуме по электрогидродинамике ISEHD, а также на симпозиуме EHD-Workshop. Как сказано, одним из перспективных направлений применения электрического ветра является охлаждение с его помощью нагревательных конструкций, что, в частности, обсуждалось на международном симпозиуме «Электрические методы обработки материалов».

    Наиболее  значимыми достоинствами такого метода охлаждения являются:

    - Долговечность деталей (нет трения  частей устройства друг о друга)

    - Относительная бесшумность

    - Малая потребляемая мощность (порядка 1 мВт)

    Для понимания процессов, приводящих к охлаждению нагревателя, необходимо детально изучить картину токов воздуха, уносящих тепло с поверхности нагревателя. Однако ввиду прозрачности среды, это невозможно без использования какого-либо метода визуализации потоков воздуха. Наиболее распространенными из них являются:

      - Метод визуализирующих частиц и его обработка при помощи методов PIV или PTV. Однако этот метод требует использования высокоскоростной видеокамеры, так как характерные скорости движения частиц среды в электрическом ветре принимают значения порядка нескольких метров в секунду, что делает невозможным обработку упомянутыми методами при помощи обычной видеокамеры.

     - Теневой метод, при использовании которого становится возможным наблюдение не только за потоками воздуха, но и за градиентами температуры в среде.

    В данной работе приведены результаты исследования интенсификации теплообмена  при помощи электрического ветра, большая  часть которых проводилась при  помощи теневой установки. Для обоснования некоторых из них было применено компьютерное моделирование рассматриваемых процессов. 
 

    Обзор литературы. 

    Экспериментальное исследование электрического ветра  в системе электродов игла-плоскость  было описано в работе [3]. Установлено, что при напряжениях меньше пробивного, зависимость скорости ветра от корня квадратного из тока, как при положительной, так и при отрицательной полярности имеет линейный характер.

    В работе Г.А. Остроумова [1] было изучено влияние электрического ветра на нагрев активного электрода. Также изучена связь между мощностью разряда и нагревом острия иголки. Следует отметить, что нагрев острия и небольшого количества воздуха в пространстве возле электрода при электрическом ветре делает возможным наблюдение струй в теневой установке. Однако визуализация потоков электрического ветра показывает, что в движение вовлекается воздух, находящийся за пределами центральной струи, поэтому нагрев центральной струи не оказывает влияния на температуру нагревателя.

    Охлаждение  проволочного нагревателя электрическим ветром было рассмотрено в работе [5]. Измерялось только падение температуры нагревателя при действии ветра. Детально действие ветра не рассматривалось, но показана возможность эффективного охлаждения теплоотводящих конструкций.

    Моделирование электрического ветра в системе электродов игла-плоскость было описано в работе [4]. Показано, что распределение скорости в системе игла-плоскость имеет типовой характер: короткая зона ускорения у кончика иглы, а далее продолжительная зона однородного течения и короткая зона торможения у плоского электрода. С повышением напряжения структура течений сохраняется, при этом только повышается скорость в центральной струе. По результатам моделирования скорость в центральной струе линейно зависит от напряжения и пропорциональна корню из тока. Моделирование с учетом термических эффектов показывает, что нагрев в основном осуществляется в тонком слое (порядка 0.5 мм) возле коронирующего электрода. Преобладает конвективный механизм переноса тепла – воздух, нагретый у иголки, уносится во внешнюю зону электрическим ветром, образуя тонкую нагретую струйку.

    В экспериментальном исследовании, описанном  в работе [6] была выбрана оптимальная система электродов – разреженные иголки – щель. Было выбрано оптимальное расстояние между иголками для устранения эффекта самогашения. Этот результат является существенным при используемом в представленной работе методе изучения тепловых потоков. Получение количественных данных при помощи теневого метода, возможно только в том случае, если исследуемая система имеет симметрию вдоль выделенной оси. При этом использование протяженных электродов (к примеру, проволоки или лезвия) не целесообразно.

    Интенсификация  теплообмена электрическим ветром исследована в работе [7]. Одним из результатов [7] было создание экспериментальной установки по исследованию конвекции на базе теневого метода. Установка была компьютеризирована, что позволило проводить измерения практически одновременно с обработкой результатов. Для используемой видеокамеры рассмотрено влияние настроек, которые сказываются на результатах расшифровки. Также были написаны программы для расшифровки теневых картин. Программы активно использовались в представленной работе,  дорабатывались и значительно упрощают обработку результатов. В работе [7] было рассмотрено действие электрического ветра на температурный пограничный слой естественной конвекции от вертикального нагревателя при величине перегрева до 30 К. Представленная работа является продолжением исследования, описанного в [7]. 

Экспериментальная установка. Метод Теплера.

 

Метод Теплера. 

    Принципиальная  схема ИАБ-451 показана на рис. 1. Данный теневой прибор относится к классу приборов с Z-образным ходом лучей. Основными  частями прибора являются главные  зеркала, мениски, поворачивающие зеркала. Изучаемый объект устанавливается между осветительной и приемной частью и защищен от внешних потоков воздуха специальным кожухом.

    

    Рис. 1. Оптическая схема ИАБ-451. 1 — источник света, 2 — осветительная часть, 3 — приемная часть, 4 — нож Фуко, 5 — объектив камеры, 6 — исследуемая неоднородность. 

    Решим задачу о прохождении луча света  через оптически неоднородную среду. Использование термина «луч»  подразумевает приближение геометрической оптики для описания этого процесса. Для вывода уравнений, связывающих  угол отклонения луча и свойства среды, будем пользоваться волновым описанием света.

    Запишем волновое уравнение

     ,  (1)

    и будем искать решение в виде . Введем показатель преломления среды . При подстановке пробного решения в уравнение, получим

     ,  (2)

    В приближении геометрической оптики волновое число k стремится к бесконечности,поэтому можно пренебречь всеми слагаемыми, кроме первого, и получить уравнение эйконала

     ,  (3)

    Функция L называется эйконалом и показывает фазу волны в пространстве. Пусть единичный вектор , сонаправлен с градиентом эйконала. Этот вектор задает направление луча. Введем параметр l расстояния вдоль луча. Тогда градиент эйконала будет равен , и в уравнении эйконала можно извлечь корень

     ,  (4)

градиент  последнего:

    

    

    

     ,  (5)

    То  есть луч, движущийся в неоднородной среде, отклоняется в направлении  градиента показателя преломления.

    Введем  систему координат такую, что  направление оси OZ совпадает с первоначальным направлением луча. Сама ось OZ совпадает с оптической осью прибора. Ось OX пусть будет ортогональна оси OZ  и сонаправлена с градиентом показателя преломления (рис.2).

    

    Рис. 2. Отклонение луча света. 

    Воспользуемся приближением малости отклонения луча от первоначального направления и заменим производную вдоль направления луча производной по Z. Такое допущение оправдано, так как неоднородность длиной 100 мм с градиентом температуры 1К/мм отклоняет луч на 10^-4 радиана.

      Таким образом из  (5) получим

     ,  (6)

    Интегрируя  данное выражение вдоль оси Z, с учетом того, что Х-компонента на входе  в неоднородность равна нулю, на выходе из неоднородности будем иметь:

     ,  (7)

    Искомой функцией при теневых измерениях является именно градиент показателя преломления. Данное интегральное уравнение, можно решить, только сделав некоторые допущения относительно распределения подынтегральной функции в пространстве. Будем считать, что градиент показателя преломления является постоянной величиной вдоль оси Z на некотором ее участке и равен нулю в остальной области. Так как угол отклонения луча мал, как и изменение показателя преломления, можно найти связь между углом отклонения луча в направлении оси X и градиентом показателя преломления:

    

    

     ,  (8)

    L — длина неоднородности. Отметим, что формула (8) фактически дает среднее значение градиента показателя преломления в неоднородности. Для y-компоненты градиента получаются аналогичные выражения.

    Сложную оптическую схему прибора ИАБ-451 можно заменить на схему, представленную на рисунке 3, где главные объективы обозначены через О₁ и О₂. Источник света L устанавливается в фокусе первого объектива O₁, его изображение L' создается в фокальной плоскости второго объектива O₂. Для проведения количественных измерений принципиально важно, чтобы источник был протяженным и имел ровные края. Нож ставится также в фокальной плоскости второго объектива. 

    

    Рисунок 3. Схема теневого прибора с параллельным ходом лучей. Изображение источника света. 

    Рассмотрим  пучок лучей, проходящих через узкую  область D в плоскости предметов. Через каждую точку этой области  проходят лучи от всех точек источника  света. Лучи, проходящие через эту  узкую область, создают изображение  источника. Если считать, что в области D находится участок неоднородности с постоянным значением градиента показателя преломления, то все лучи, проходящие через область D, будут повернуты на один и тот же угол и дадут смещенное изображение источника. Лучи, проходящие через другие области, дадут свое изображение источника, которое может быть смещено по-другому. Таким образом, в фокальной плоскости второго объектива мы имеем наложение множества изображений источника света, созданных лучами, прошедшими через разные участки неоднородности. После прохождения фокальной плоскости второго объектива лучи, прошедшие через область D, создают изображение этой области D' (рис. 4).